基於磁渦流結構的高性能磁感測器實現

磁感測器在各種應用中發揮著關鍵作用，例如在汽車工業或生物醫學應用中速度和位置感測。在由迪特爾·蘇斯領導的基督教多普勒實驗室「先進磁性感測與材料」的框架下，維也納大學、多瑙河大學克雷姆斯和英飛凌公司合作開發的新型磁性感測器在性能和準確度上超過了傳統技術。研究人員在最新一期的《自然電子》雜誌上介紹了這一新進展。許多現代技術的應用是基於磁力的，例如移動電動汽車的部件或在硬碟上存儲數據。然而磁場也被用作探測其他磁場的感測器。

一種磁感測器，其中磁感測器元件具有渦流狀態，圖片：Dieter Suess et al

基於半導體技術的磁場感測器的總市場目前為1670萬美元，而且還在繼續增長。例如，在汽車工業中，ABS系統中使用了更精確的磁場感測器，可以用來檢測輪胎壓力。這就無需在輪胎中安裝額外的壓力感測器，從而節約了資源和成本。採用各向異性磁阻、巨磁阻和隧道磁阻等新型磁阻感測器技術，主要是由於其靈敏度的提高和集成能力的提高。新型磁場感測器的核心是一種可轉換磁信號的微結構鐵磁薄膜元件。這種所謂的換能器元件一旦從外部施加磁場就會改變其電行為;原子的「羅盤針」，即原子磁偶極，被重新排列，從而改變了感測器元件的電阻。這種行為被用來確定磁場。

然而，這些感測器的性能受到許多因素的限制。維也納大學、多瑙河大學、克雷姆斯和英飛凌公司在基督教多普勒實驗室「先進磁感測與材料」的框架下，由迪特·蘇斯領導的一個小組詳細分析了物理起源和基本極限。在《自然電子》雜誌上發表了調查結果和解決方案的具體建議。通過實驗驗證的計算機模擬表明，通過重新設計換能器元件，可以顯著降低干擾信號、磁雜訊和磁滯。在新的設計中，換能器元件的原子磁偶極排列成一個圍繞中心的圓形，類似於颶風。外部施加的磁場改變了渦流中心的位置，而這又直接導致了電阻的變化。

渦旋中心的位置與所施加的磁場成正比，是可再現的、精確的測量變數。圖片：Dieter Suess et al.

該項目負責人迪特爾·蘇斯說：這一進展顯示了磁渦流結構的首次大規模應用，並比傳統的磁感測器有了重大改進。該研究項目是一個很好的例子，基礎研究和純粹的科學問題，如磁場中磁渦流結構的行為，可以導致非常成功的應用。薩斯談到這一重要協同作用時說：實現這一目標的先決條件是科學與工業之間的合作。在這種合作中，科學與工業為這些複雜技術的實現提供了實際相關的問題和技術設施，如潔凈室等。

博科園-科學科普：參考期刊：Nature Electronics｜來自：維也納大學

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